A origem da técnica de revestimento pregado vem em parte da técnica de execução de suportes de galerias e túneis denominada NATM (“New Austrian Tunneling Method”) aplicada na engenharia de Minas. Esta técnica foi desenvolvida a partir de 1945, para avanço de escavações em túneis rochosos. O método NATM consiste na aplicação de um suporte flexível para permitir que o terreno se deforme ocorrendo uma formação de uma região plastificada no contorno da escavação, que pode ser reforçada através de chumbadores (pregagens). Logo após a escavação, a cavidade que está submetida ao efeito do peso de terras e tensões confinantes, é estabilizada com um revestimento flexível de betão projectado (espessura entre 10 e 30 cm), tela metálica e pregagens curtas radiais introduzidas na zona plástica. Em geral, as pregagens são dispostas a cada 3 a 6m ao longo da galeria (Clouterre, 1991) e são inseridas no maciço por percussão ou perfuração com posterior injecção de calda de cimento.
Após as aplicações da técnica NATM em rochas duras, novas experiências foram efectuadas em materiais menos resistentes, tais como rochas brandas e posteriormente em solos (siltes, cascalhos e areia) originando assim os revestimentos pregados.
O revestimento pregado é uma técnica bastante eficaz no que se diz respeito ao reforço do solo “in situ” em taludes naturais ou resultantes de processo de escavação. A pregagem do solo é obtida através da inclusão de elementos passivos semi-rígidos, resistentes à flexão-composta, denominados de pregagens, que quando têm um comportamento activo passam a chamar-se ancoragens.
Segundo (Coelho, 1996), entre as diversas aplicações da técnica de revestimento pregado, deve-se citar:
• Estabilidade de encostas (Figura 27a)) → inclusão de reforços em taludes, possivelmente instáveis, com inclinações da ordem de 45º a 70º, recorrendo as pregagens ou ancoragens e drenagens;
• Subpressão hidrostática (Figura 27b)) → Nas situações de escavação profunda com o objectivo de impedir o levantamento do fundo e nos casos de subpressões nas lajes de fundo de docas.
• Estruturas de contenção (Figura 27c)) → Na estabilização de escavações permanentes associadas às fundações de edifícios, estacionamentos subterrâneos e escavações para vias subterrâneas e no reparo de cortinas de terra armada, muros de betão armado ou outras;
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Figura 27: Aplicação dos revestimentos pregados e ancorados: a) pregagens para estabilização de encostas; b) utilização de ancoragens à tracção em laje submetida a subpressão hidrostática; c) ancoragens em parede de
suporte (Adaptado de Coelho, 1996).
4.1
Pregagem
A contenção com recurso a pregagens consiste no reforço passivo, isto é sem tensionamento, de taludes de terreno natural aplicando varões de aço nervurado com as características específicas, tendo num dos extremos uma rosca adequada para receber uma placa de ancoragem e uma porca de fixação. Serão totalmente ligadas à rocha envolvente com calda de cimento ou com argamassa de cimento e areia quando se verificarem dificuldades na selagem. As placas e as porcas terão um assento hemisférico de forma a permitir a sua instalação satisfatória e a transferência de carga, mesmo em betão projectado ou superfícies rochosas irregulares, sem criar tensões secundárias no varão da ancoragem.
25
4.1.1
Vantagens e desvantagens da sua aplicação
Vantagens:
• Requer uma plataforma de trabalho menor que as ancoragens activas;
• Menor impacto ambiental em comparação com outras técnicas de contenção; • A sua aplicação é relativamente rápida e requer menos meios e materiais que nas
ancoragens activas;
• A utilização de pregagens é uma opção mais económica que a maioria dos restantes métodos de contenção;
• A aplicação de betão projectado na face do talude é mais económico que um muro de betão armado necessário para as ancoragens activas.
Desvantagens:
• A utilização de pregagem não é apropriada quando temos um nível freático elevado, e as águas escoem para a plataforma de trabalho deixando-a sem condições para trabalhar;
• Execução de pregagens requer pessoal e equipamento especializado.
4.1.2
Tipos de pregagens
i ) Pregagem amarrada mecanicamente
É composta essencialmente por um varão de aço ligado na extremidade interior a uma cunha em forma de cone (Figura 28), que ao ser rodado, ou seja, traccionado a partir da cabeça, penetra no maciço e origina a expansão da manga contra as paredes do furo (Coelho, 1996).
Caso se pretenda que a pregagem tenha um carácter definitivo, o espaço livre entre a pregagem e as paredes do furo deve ser preenchido com injecção.
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ii ) Pregagem injectada
Este tipo de pregagem é constituído essencialmente por varões rugosos ou roscados, com o espaço livre a ser preenchido com injecção de cimento ou resina (Figura 29).
Figura 29: Pregagem injectada: a) com cimento; b) com resina (Adaptado de Coelho, 1996).
iii ) Pregagem de cabo injectada
De acordo com (Coelho, 1996), com a experiência adquirida na utilização de cabos de pré-esforço nas estruturas de betão armado, e aproveitando as melhores propriedades destes cabos foi possível a execução de pregagens recorrendo aos mesmos, quer em pregagens injectadas, quer em pregagens tradicionais de cabo suportando grandes volumes de rocha. Usualmente utilizam-se cabos constituídos por cordões de sete arames (Figura 30).
27 iv ) Pregagem amarrada por atrito
É a mais recente técnica de pregagem utilizada e trata-se de uma evolução da pregagem amarrada mecanicamente, visto que a sua instalação e funcionamento são idênticos e indiferentes às condições de humidade da rocha, ainda assim têm uma grande desvantagem ao nível da corrosão.
Estas pregagens podem ser de meias canas tubulares ou de tubo expandido (Figura 31).
Nos quadros seguintes podemos verificar algumas das características (Quadro 5) bem como as vantagens e desvantagens dos diferentes tipos de pregagens (Quadro 6).
Quadro 5: Caractrísticas das pregagens.
Tipo de pregagem Pregagem amarrada mecanicamente Pregagem injectada Pregagem de cabo injectada Pregagem amarrada por atrito Resina Cimento Meias canas tubulares Tubo expandido Qualidade do aço MPa 700 580 1100 1800 ____ ____ Diâmetro mm 16 16 20 28 39 25 Resistência limite de elasticidade kN 140 120 280 500 90 130 Resistência última kN 180 180 340 500 110 130 Deformação última % 14 15 9,5 3 16 10 Peso N/m 20 26 26 31 18 20 Diâmetro de furo mm 35 ± 3 35 ± 3 35 ± 5 35 35 a 38 35 ± 3 a) b)
Figura 31: Pregagem amarrada por atrito: a) pregagem de meias canas tubulares; b) pregagem de tubo expandido (Adaptado de Coelho, 1996).
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Quadro 6: Vantagens e desvantagens das pregagens.
Tipo de pregagem Vantagens Desvantagens
Pregagem amarrada mecanicamente
- Custo relativamente baixo; - Estado de serviço logo após a instalação; - Elevada capacidade de carga.
- Utilização limitada a rochas; moderadamente duras a duras - Instalação insegura; - Perda de capacidade
resistente quando sujeitas a vibrações.
Pregagem injectada
Resina
- Rápido suporte após a instalação; - Grande resistência à corrosão. - Manuseamento difícil e perigoso; - Grandes perdas; - Custo muito elevado.
Cimento
- Reforço qualificado e durável; - Grande resistência à
corrosão; - Elevada capacidade de carga em variados tipos de rocha.
- Dificuldade em garantir a qualidade de injecção; - Demora na presa e endurecimento da calda de injecção; - Custo elevado
Pregagem de cabo injectada
- Pode ser instalado com qualquer comprimento; - Elevada capacidade de carga; - Elevada resistência à corrosão; - Baixo custo.
- Processo especial para tensionamento; - Demora na presa e
endurecimento da calda de injecção antes do pré-esforço.
Pregagem amarrada por atrito Meias canas tubulares - Instalação simples; - Rápido suporte após a instalação; - Fácil a aplicação da malha de aço.
- Pouco êxito em pregagens longas; - Baixa resistência à corrosão; - Custo elevado.
Tubo expandido
- Instalação rápida e simples; - Rápido suporte após a instalação; - Utilização em várias condições de terreno.
- Exige bomba para
instalação; - Baixa resistência à corrosão; - Custo elevado.
29
4.1.3
Sistemas adicionais de suporte
O sistema de pregagens pode ainda ser complementado com sistemas adicionais de suporte, como placas de superfície, malhas de aço, betão projectado, etc.
Placa de superfície
De acordo com (Coelho, 1996) as placas podem ser planas, côncavas circulares ou côncavas triangulares (Figura 32).
Figura 32: Placas de superfície usuais e respectiva área de contacto (Retirado de Coelho, 1996).
As placas planas são geralmente usadas quando a superfície da rocha é lisa e a pregagem é instalada na perpendicular. Quando deformadas em carga, acabam por ficar apoiadas apenas numa pequena zona, originando tensões elevadas provocando o esmagamento dessa zona e consequentemente a ocorrência de deformações que se atingirem 1 ou 2 mm podem reduzir a tensão da pregagem cerca de 20 a 70%, o que obriga a um retensionamento.
Estes problemas podem ser facilmente reduzidos recorrendo às placas côncavas, com maior área de contacto e maior facilidade de adaptação às condições reais da rocha.
Malha de aço
Normalmente são usados dois tipos de malha de aço: a de capoeira e a malha soldada. A malha de capoeira é constituída por arame contínuo em cadeia, é forte e flexível. Geralmente é aplicada directamente sobre o maciço com o objectivo de evitar a queda de pequenos blocos de rocha (Figura 33).
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Figura 33: Malha tipo capoeira amarrada por pregagens (Retirado de Coelho, 1996).
A malha soldada é usada como armadura de betão projectado, visto que é muito rígida e é ligada à rocha através de uma anilha prevista na cabeça da pregagem (Figura 34).
Figura 34: Pormenores da utilização de betão projectado (Retirado de Coelho, 1996).
Betão projectado
O betão projectado é geralmente utilizado combinado com pregagens, em várias condições de terreno.
Existem dois tipos de betão projectado: mistura por via seca, geralmente mais utilizado, em que a água só é adicionada à saída dos materiais; e o de mistura por via húmida, sendo a água adicionada inicialmente juntamente com os materiais, ficando assim pronta a ser projectada.
4.1.4
Processo de execução das pregagens
Antes de avançar para a furação propriamente dita é necessário ter atenção a determinados aspectos:
31
• A instalação deve ser feita por pessoal qualificado;
• Verificar se os diâmetros e os comprimentos de furação a utilizar são os correctos;
• Criar condições para a livre circulação de água e do ar no interior da coluna de furação;
• Limpar e lubrificar todas as roscas de modo a facilitar todo o processo de enroscar e desenroscar;
• Construção prévia da plataforma de trabalho mais adequada ao tipo de tarefa a realizar.
Segue-se o programa de execução, (Coelho, 1996) dos diferentes tipos de pregagens anteriormente abordadas.
i ) Pregagem amarrada mecanicamente
A pregagem é introduzida e empurrada no furo até que a placa de superfície esteja em contacto com o maciço, em seguida é rodada a porca até atingir o binário recomendável que situa-se entre 130 e 340 Nm, ou entre o menor dos seguintes valores: 50% da carga limite de cedência (± 5 kN ) e a capacidade da pregagem.
A relação binário-tensão pode ser escrita de forma simplificada pela seguinte expressão:
onde
T = tensão na pregagem (kN)
B = binário aplicado (kNcm)
C = constante de proporcionalidade (1,6 para pregagens de 16mm e 1,3 para pregagens de 20mm)
A eficácia desta pregagem depende muito do aperto da mesma contra as paredes do furo. O diâmetro do furo, o tipo de rocha e o seu grau de alteração na zona de amarração são os factores mais importantes.
Mesmo em rocha de boa qualidade esta eficácia pode diminuir, se a pregagem se situar a menos de 10 a 20 m de uma zona onde estejam a ser utilizados explosivos
ii ) Pregagem injectada
Os procedimentos a utilizar são semelhantes, sejam injectadas por cimento ou resina. Nos furos a calda a injectar tem de ser suficientemente espessa, quando utilizada a calda de cimento, esta deve ter uma relação água-cimento, em peso, entre 0,30 e 0,35. Deve ainda ser adicionado acelerador de presa, ou no caso das resinas, uma resina de rápida presa.
O tensionamento é feito através da rotação da porca até ao binário previsto, ou então por tracção directa, esta deve acontecer quando existem forças superiores a 100 kN, usando- se macacos hidráulicos para efectuar o tensionamento (Figura 35).
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Figura 35: Princípios para instalação e tensionamento de pregagens inteiramente injectadas usando macaco hidráulico (Retirado de Coelho, 1996).
Na zona de amarração deve ser utilizada calda de presa rápida, usando-se calda de presa lenta no comprimento livre, logo que a zona de amarração ganhe uma certa resistência é efectuado o tensionamento, que levará mais tempo caso seja utilizado calda de cimento.
iii ) Pregagem de cabo injectada
As pregagens de cabo devem ser injectadas apenas com cimento quando o seu comprimento for superior a 6 m.
No caso de furos descendentes é introduzido o tubo de injecção de calda de cimento, que é recuperado à medida que se vá enchendo o furo com a calda. Quando o furo se encontrar completamente cheio é então introduzido o cabo até ao fundo do furo.
Nos furos ascendentes o cabo da pregagem é ligado ao tubo, e só depois é introduzido no furo, sendo posteriormente selada a boca do furo. A injecção ocorre até sair pelo tubo o ar e calda idêntica à que foi introduzida, que deve ter uma relação água-cimento de 0,4, a partir desse momento é vedado todo o sistema (Figura 36).
33 iv ) Pregagem amarrada por atrito
Na pregagem de meia cana, esta é forçada no furo que deve ter um diâmetro ligeiramente inferior ao da pregagem. Esse diâmetro requer especial atenção, uma vez que um diâmetro demasiado reduzido dificulta a introdução da pregagem, e pode nem haver resistência por atrito no caso de diâmetro excessivo.
Quando se recorre à pregagem do tipo tubo expansivo, esta é introduzida no furo, e através de bombagem o tubo expande contra as paredes do furo.
4.1.5
Análise de Estabilidade
Análise de Estabilidade Externa
A análise de estabilidade externa estuda o desenvolvimento da potencial falha e calcula o tipo e a malha de pregagens a adoptar de modo a garantir a estabilidade do maciço. A sua altura, a estratigrafia e o tipo de pregagem (comprimento, diâmetro, malha) são os principais factores.
Análise de Estabilidade Interna
Na análise de estabilidade interna, a rotura pode ocorrer entre os três intervenientes das pregagens, o solo, o varão de aço ou pela calda de cimento da injecção. À medida que o solo se deforma durante a fase de escavação cria-se uma ligação entre este e a calda de cimento, originando um aumento das forças de tensão no varão de aço.
A rotura pode dar-se de diversas formas:
• Escolha incorrecta do sistema de pregagem; • Diâmetro e comprimento do furo incorrectos; • Injecção deficiente;
• Rotura na interface entre o solo e a calda de cimento da injecção devido a uma insuficiente resistência na união ou comprimento da pregagem insuficiente; • Deslizamento na interface do varão de aço com a calda de injecção, acontece
principalmente quando são utilizados varões lisos em detrimento de varões nervurados;
4.1.6
Forças de Tracção nas Pregagens
De modo a garantir a estabilidade do talude, as pregagens devem prolongar-se para além da superfície crítica de rotura (Figura 37).
Com o aumento da deformação lateral, que ocorre devido à escavação, verifica-se também o aumento da força axial das pregagens.
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Figura 37: Força axial das ancoragens (FHWA A0-IF-03-017).
À medida que a profundidade aumenta, as forças de tensão nos níveis intermédios e inferiores também crescem, enquanto nos níveis superiores essa força diminui, este fenómeno ocorre graças a uma redistribuição da carga.
Com o aumento da largura e profundidade da superfície crítica, a contribuição das pregagens superiores para a estabilização do talude diminui, ainda assim não podemos desprezar por completo o papel destas pregagens no processo de estabilização dado à sua importância na fase inicial da escavação e na redução de deslocamentos laterais do talude, (Santa, 2010).
4.1.7
Dimensionamento
Para Coelho (1996), o correcto dimensionamento deste sistema de contenção passa pela necessidade de conhecer a superfície potencial de ruptura. Esta passa no coroamento do talude a uma distância do paramento de cerca de 0.3h (sendo h a altura do paramento), fazendo nesse ponto uma tangente próxima da vertical. Outro ponto conhecido da superfície potencial de ruptura é a base do paramento. Podemos então definir uma aproximação da superfície potencial de ruptura conforme o representado na (Figura 38).
35
Esta superfície de ruptura separa o maciço em duas zonas distintas, uma activa onde o terreno actua sobre as barras, e outra passiva onde as barras ganham amarração por atrito no maciço, no lado interior.
Nas pregagens cravadas directamente no terreno, e apenas como valor indicativo, uma vez que tem sido praticamente impossível determinar teoricamente a partir das características paramétricas do terreno (coesão e atrito interno) e da tensão efectiva, é avançada uma expressão teórica para determinar a tensão unitária média na pregagem:
. . . 2
em que c é a coesão da camada atravessada, p o perímetro da armadura, α é um coeficiente de redução que deve ser inferior à unidade, γ é o peso volúmico do solo, D é o diâmetro equivalente da barra, e f o coeficiente de atrito solo-armadura, que é dado por:
1,5 Ø 1,5 ⁄ para 6! 6 Ø para " 6!
sendo Ø o ângulo de atrito interno do solo.
4.2
Ancoragem
A ancoragem é um elemento estrutural que transmite uma força de tracção da estrutura ao terreno envolvente, é considerada um reforço activo, ou seja, com pós-tensionamento do terreno através da instalação de um reforço normalmente em cordões em aço ou barras em aço que é revestido com calda de cimento e posteriormente tensionado. Podemos dizer que uma ancoragem é composta essencialmente por três partes: A cabeça da ancoragem, que é formada por placa de distribuição, placa porta-cunhas, cunhas e dispositivos de protecção definitiva; o comprimento livre, corresponde ao troço de armadura compreendido entre a parte superior da ancoragem e o bolbo de selagem, onde não é transmitida tensão ao terreno); o comprimento de selagem ou de amarração, corresponde ao troço da ancoragem que se destina a transmitir as tensões ao terreno (Figura 39).
(2)
(3) (4)
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Figura 39: Desenho esquemático, em corte, de uma ancoragem (Carvalho, 2004).
4.2.1
Ancoragens activas e passivas
No que diz respeito ao tempo de vida útil, tem-se dois tipos de ancoragens, as ancoragens passivas e as ancoragens activas.
As ancoragens passivas são elementos de natureza temporária, face à sua durabilidade limitada, tornando-se desnecessários e inoperacionais após determinada fase dos trabalhos.
As ancoragens activas devem garantir de forma permanente a estabilidade da obra. As obras que mais recorrem a ancoragens definitivas são as subterrâneas e as de estabilidade de taludes.
Na Figura 40 podemos observar as diferenças entre a ancoragem activa e passiva, principalmente no que respeita às forças actuantes no terreno.
37
4.2.2
Cabeça da ancoragem
A execução da cabeça da ancoragem inclui a aplicação do pré-esforço e a colocação de cunhas e da chapa de distribuição, utilizada para transferir a carga para a estrutura de suporte.
Posteriormente deve ser aplicada uma protecção definitiva exterior, que pode ser realizada em betão ou pela aplicação de uma caixa de protecção.
Na Figura 41 podemos observar as cabeças da ancoragem activa e passiva.
Figura 41: Cabeça de ancoragem passiva (esquerda), activa (direita).
Coelho (1996), refere que cabeça da ancoragem deve ser ligada a estrutura de tal modo que:
• A carga seja aplicada axialmente à armadura;
• Possam ser realizados os ensaios, e a carga de pré-esforço seja mantida após a realização dos mesmos;
• A cabeça da ancoragem possa e deva ser protegida contra a corrosão de uma maneira segura;
• A ancoragem deva ser retensionada;
4.2.3
Execução de ancoragens
Existem três tipos principais de ancoragens que se encontram bem ilustradas na (Figura 42).
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Figura 42: Principais tipos de ancoragens (Retirado de Coelho, 1996).
O processo mais utilizado em Portugal é indicado como o tipo 2, visto ser a que dá mais garantias de melhor funcionamento. O uso da ancoragem tipo 3 está praticamente extinta e sendo frequente a utilização do tipo 1 para terrenos rochosos, ainda assim, infelizmente, é utilizada em terrenos de má qualidade, onde este tipo de ancoragem não oferece garantia de bom funcionamento. O seu custo baixo pode ser uma das razões que leva a sua utilização.
A grande vantagem da ancoragem do tipo 2 é o facto de ser possível executá-la em solos de má qualidade onde as paredes do furo têm tendência a colapsar por falta de coesão.
O processo de construção desta pregagem encontra-se indicado esquematicamente na Figura 43.
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Figura 43: Sequência das operações na ancoragem tipo 2 (Retirado de Coelho, 1996).
Furação
Antes de se iniciar a furação deverão tomar-se em consideração os seguintes aspectos: • Verificar se os comprimentos e os diâmetros de furação utilizados são os
correctos;
• Garantir que o material de furação não está dilatado, torcido, amolgado ou fissurado;
• Criar condições para a livre circulação da água e do ar no interior da coluna de furação;
• Limpar e lubrificar todas as roscas de modo a facilitar o seu enroscar e desenroscar;
• Construção prévia da plataforma de trabalho adequada ao tipo de tarefa a realizar.
A colocação da armadura no furo e a injecção, dependem do sistema usado. A correcta escolha da pressão de injecção faz aumentar o diâmetro da zona injectada, que pode atingir quatro vezes o diâmetro do furo original.
O êxito desta operação depende da pressão de injecção usada que é fortemente condicionada pela permeabilidade do terreno. Pressões excessivas têm como resultado